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MOSFET管工作原理

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yu309262908
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LV6
高级工程师
  • 2018-1-11 11:08:52
金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效晶体管是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。
结构
下图是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底,在其面上扩散了两个N型区,再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极),如图所示。
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从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起,这样,相当于D与S之间有一个PN结。
PART2
工作原理
要使增强型N沟道MOSFET工作,要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS,则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图2所示。
2.jpg
【1】若先不接VGS(即VGS=0):在D与S极之间加一正电压VDS,漏极D与衬底之间的PN结处于反向,因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板,而氧化物绝缘层作为电容器的介质。
【2】当加上VGS时:在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷,而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反,所以称为“反型层”,这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。
【3】当VGS电压太低时:感应出来的负电荷较少,它将被P型衬底中的空穴中和,因此在这种情况时,漏源之间仍然无电流ID。
【4】当VGS增加到一定值时:其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道,这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压),用符号VT表示(一般规定在ID=10uA时的VGS作为VT)。
【5】当VGS继续增大:负电荷增加,导电沟道扩大,电阻降低,ID也随之增加,并且呈较好线性关系,如图3所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为,改变VGS来控制漏源之间的电阻,达到控制ID的作用。
3.jpg
由于这种结构在VGS=0时,ID=0,称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET,在VGS=0时也有一定的ID(称为IDSS),这种MOSFET称为耗尽型。它的结构如图4所示,它的转移特性如图5所示。VP为夹断电压(ID=0)。
4.jpg 5.jpg
PART3 电路符号
常用于MOSFET的电路符号有很多种变化,最常见的设计是以一条直线代表通道,两条和通道垂直的线代表源极与漏极,左方和通道平行而且较短的线代表栅极,如下图所示。有时也会将代表通道的直线以破折线代替,以区分增强型MOSFET(enhancement mode MOSFET)或是耗尽型MOSFET(depletion mode MOSFET)另外又分为NMOSFET和PMOSFET两种类型,电路符号如图所示(箭头的方向不同)。
由于集成电路芯片上的MOSFET为四端元件,所以除了栅极、源极、漏极外,尚有一基极(Bulk或是Body)。MOSFET电路符号中,从通道往右延伸的箭号方向则可表示此元件为N型或是P型的MOSFET。箭头方向永远从P端指向N端,所以箭头从通道指向基极端的为P型的MOSFET,或简称PMOS(代表此元件的通道为P型);反之若箭头从基极指向通道,则代表基极为P型,而通道为N型,此元件为N型的MOSFET,简称NMOS。在一般分布式MOSFET元件(discrete device)中,通常把基极和源极接在一起,故分布式MOSFET通常为三端元件。而在集成电路中的MOSFET通常因为使用同一个基极(common bulk),所以不标示出基极的极性,而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别。
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